广州市某超限高层住宅结构设计

　　摘要：本文介绍广州市一超限高层住宅的结构选型、静力分析以及对结构分析的结果进行归纳和比较，同时对结构在大震作用下进行静力弹塑性推覆分析，根据推覆分析结果对关键构件采取加强措施，保证结构安全。
　　
　　关键字：超限高层，静力弹塑性分析，Pushover
　　
　　一、工程概况
　　本工程位于广州市海珠区，总用地面积为9629平方米，地面基本平整，设计为高档住宅小区，该栋为61层的超高层住宅（A1栋）、地下3层，地上61层，建筑总高度199.70米，十四层、三十一层、四十七层为避难层，建筑物高宽比为5.7。
　　二、结构选型
　　本工程根据标准层为高档住宅，采用全剪力墙结构，剪力墙作双向布置。局部剪力墙在地下室转换，这样既满足地下车库、首层架空的需要，同时满足上部住宅房间内墙柱不突出墙面的要求。
　　基础选型:根据工程地质勘察报告及本工程三层地下室的结构特点，基础采用基岩上的天然地基，持力层为中风化泥岩，土层承载力特征值fak≥2200KPa。
　　抗浮问题:本工程地下三层底板面标高为-12.5m，局部地下室局部柱仅靠自重及覆土重无法平衡丰水期地下水浮力，采用抗拔锚杆满足抗浮要求及减少底板跨度。
　　竖向构件尺寸:剪力墙（核心筒除外）从地下室至首层厚度为500～600mm，二层以上厚度为600～200mm。核心筒从地下室至八层厚度为800mm。九层以上厚度为600～300mm。
　　地下室外壁：500～300mm。
　　楼盖结构体系:地下室底板采用平板式布置，板厚h=1000mm；地下一、二层楼盖结构采用平板式布置，h=400mm；地下室顶板（首层）结构采用梁板式布置，板厚h=200mm；二～六十一层楼盖结构采用梁板体系，板厚h=100mm～240mm；天面层楼盖结构采用梁板体系，板厚h=120mm~240mm。
　　
　　图1标准层结构布置
　　三、超限类型及采取措施
　　超限类型：本工程高度超过《高层建筑混凝土结构技术规程>（JGJ3-2002）》表4.2.2-2中关于全部落地剪力墙结构体系B级高度的要求，也超过《广东省实施<高层建筑混凝土结构技术规程>（JGJ3-2002）补充规定》附件的表1中关于全部落地剪力墙结构最大适用高度的要求。
　　针对超限情况进行的分析验算和采取的加强措施：
　　• 分别采用SATWE、PKPM的PUSH和ETABS3个不同分析程序计算。
　　• 选取1组场地人工地震波和2组实际地震记录波对结构作小震弹性时程时析。
　　• 比较安评报告的反应谱曲线和规范反应谱曲线：按规范反应谱计算。
　　• 中震不屈服验算。
　　• 加强落地剪力墙的配筋。
　　底部加强部位及架空部位两者高度较大值剪力墙：特一级；其余层的抗震等级：一级；底部加强部位：-1～6层
　　• 利用剪力墙平面外受力提高抗扭刚度（厚度不小于350）。
　　• 验算罕遇地震作用下楼板薄弱位置的抗拉、抗剪强度。
　　• 采用PKPM的PUSH分析软件对结构进行罕遇地震下的Pushover分析，以验证结构能否满足大震阶段不倒塌的抗震设防水准要求。
　　四、静力结构分析与结果：
　　结构设计采用中国建筑科学研究院编制的多层及高层建筑结构空间有限元分析与设计软件SATWE和PMSAP以及金土木公司的ETABS分析软件。主要计算结果如下：
　　1、小震及风作用下的弹性分析
　　（1）自振周期及第一扭转平动周期比
　　结构的自振周期及周期比详表1，可见以扭转为主的第一周期与以平动为主的第一周期的比值≤0.85，满足《高层建筑混凝土结构设计技术规程》第4.3.5条的要求。
　　表1周期及周期比
　　 振型 周期 振型方向因子（%） Tt/T1
　　   X平动 Y平动 扭转 特性 
　　SATWE 1 5.5276 1.00 0.00 0.00 X向平动 0.79
　　
　　 2 5.0787 0.00 1.00 0.00 Y向平动 
　　 3 4.3410 0.00 0.00 1.00 扭转 
　　ETABS 1 4.9015 61.36 0.19 1.79 X向平动 0.804
　　 2 4.5752 0.07 59.90 0.82 Y向平动 
　　 3 3.9440 1.98 0.80 57.78 扭转 
　　（2）弹性层间位移角
　　弹性层间位移角即层间最大位移与层高的比值详表2，结果表明层间位移角均满足《高层建筑混凝土结构设计技术规程》及广东省《高规补充规定》的要求。
　　表2
　　工况 SATEWE ETABS
　　受力方向 X向 Y向 X向 Y向
　　50年一遇风荷载 首层层间位移角 1/2231 1/3541 1/2250 1/3319
　　 最大层间位移角θ 1/821 1/879 1/1063 1/1141
　　 θ所在层 36，37 44 35 40
　　 规范限值 1/800 1/800 1/800 1/800
　　常遇地震作用 首层层间位移角 1/2926 1/4635 1/3088 1/3948
　　 最大层间位移角θ 1/952 1/1046 1/893 1/941
　　 θ所在层 44，45 46 37 44
　　 规范限值 1/800 1/800 1/800 1/800
　　
　　（3）扭转位移比
　　用于判断结构扭转不规则性的楼层最大弹性水平位移（或层间位移）与该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的比值详表3，可见最大的位移比与层间位移比均不大于1.20，属于《广东省实施<高层建筑混凝土结构设计技术规程>（JGJ3-2002）补充规定》附件表4-2.2中的规则性结构。
　　表3
　　软件 位移方向 最大值所在楼层 水平位移 层间位移
　　   △max
　　（mm） △平均
　　（mm） △平均 △max
　　（mm） △平均
　　（mm） △平均
　　SATWE X 16（地面上14层） 29.95 25.59 1.17 2.66 2.26 1.18
　　 Y 10（地面上8层） 11.22 9.41 1.19 1.71 1.41 1.21
　　ETABS X 19 38.7 32.6 1.19   
　　 Y 13 18.4 15.2 1.20   
　　（4）刚重比：刚重比EJd/（H2ΣG）SATWE计算结果为X向1.9，Y向2.25，刚重比小于2.7，大于1.4，满足《高层建筑混凝土结构设计技术规程》第5.4.4条对结构稳定性的要求，但仍考虑重力二阶效应的影响。
　　（5）侧向刚度比：最不利位置为首层，首层侧向刚度与相邻上层侧向刚度的70％或其上相邻三层侧向刚度平均值80％的比值之较小值X向为0.4883、Y向为0.4852；在设计计算时将其定义为薄弱层，地震剪力相应增大1.15倍
　　（6）.楼层抗剪承载力比值：各楼层层间抗侧力结构的受剪承载力与其上一层受剪承载力比值最小值X向为0.9，Y向为0.98，比值均≥0.75，满足《高规》第4.4.3条的要求。
　　以上考虑小震组合的弹性计算分析结果表明，本工程各项整体指标均能满足相关规范的有关要求或未超出规范规定的最大限值；墙柱的轴压比和各构件的强度及变形也均能满足规范的要求，完全能达到小震作用下“结构处于弹性状态，各构件完好、无损伤”的第一阶段的抗震性能目标。
　　2.弹性中震作用下结构构件的屈服判别分析
　　按“屈服判别法”进行中震不屈服验算（验算时荷载分项系数取1.0，材料强度取标准值），分别按小震（αmax=0.08），屈服判别地震作用1（αmax=0.16），屈服判别地震作用2（αmax=0.20），中震（αmax=0.23）进行验算，从而检查和掌握本工程在中震作用时的抗震能力。验算结果表明，在上述四种情况下，本工程竖向构件均不出现屈服，梁均不出现受剪屈服，在小震及屈服判别地震作用1时，所有梁不出现受弯屈服；在判别地震作用2及中震时，部分跨高比较小的连梁渐次出现屈服（主要表现为面筋配筋率略>2.5%，配筋时控制连梁的抗剪承载力大于受弯承载力），仅出现轻微的损伤。故本工程能满足中震重要构件不屈服，所有构件不发生剪切破坏的抗震性能目标要求。
　　3.罕遇地震作用下静力弹塑性（Pushover）分析及结构抗震性能评价
　　Pushover分析是基于性能的抗震设计方法，以量化的计算结果来评价结构“大震不倒”的抗震性能目标。本工程采用软件：PKPM的PUSH分析软件。计算中关键步骤是构件细化分类，人工干预配筋。PKPM的PUSH分析软件性能控制点处的相关指标详表4，最大层间位移角小于1/120的规范限值；弹塑性层间位移角、结构顶部位移、结构塑性发展的过程及塑性发展的区域均符合要求,在性能控制点处，各栋剪力墙均未出现剪力铰，即剪力墙抗剪能力足够，不会发生剪切破坏。结构能够满足“大震不倒”的抗震设防要求。
　　表4
　　方向 X向 Y向
　　顶点位移（m） 0.6852 0.6657
　　顶点相对位移角 1/400 1/260
　　最大层间位移角 1/238 1/250
　　所在楼层 31 40
　　基底剪力（kN） 30150 33230
　　剪重比 3.40 3.75
　　五、结论：
　　分析结果表明：在多遇地震作用下本工程结构的第一扭转与平动周期比、侧向刚度、竖向规则性、扭转位移比等指标均符合现行规范的相关要求；中震作用下能满足“重要构件不屈服，所有构件先行不发生剪切破坏”的抗震性能目标；罕遇地震作用下能满足不倒塌，重要构件不发生严重损坏的设防要求，因此可以期望本工程的结构体系在遭遇地震作用时，能达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，同时亦能最大限度地满足建筑功能的要求。
　　
　　参考文献：
　　1.混凝土结构设计规范.GB50010-2002.中国建筑工业出版社
　　2.建筑抗震设计规范.GB50011-2001.中国建筑工业出版社
　　3.高层建筑混凝土结构技术规程.JGJ3-2002.中国建筑工业出版社
　　4.广东省实施《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2002）补充规定
　　5.ETABS设计手册.北京金土木技术有限公

《广州市某超限高层住宅结构设计》

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